現(xiàn)在主要的煉鋼法——高爐―轉(zhuǎn)爐法，每生產(chǎn)1噸鋼就會排放約2噸CO2，因此一直要求其減排CO2。但是，高爐是一種能效非常高的設(shè)備，而且高爐煤氣可作為鋼鐵廠內(nèi)其他工序的能源被有效利用。高爐的碳源使用干餾煤生產(chǎn)的焦炭，焦炭不僅是能源，而且還對確保爐內(nèi)透氣性起著重要作用，因此是不可缺少的。另一方面，對部分減排技術(shù)進(jìn)行了多次研究，目前COURSE50和鐵焦等的開發(fā)仍在繼續(xù)。
為了大幅度減排鋼鐵業(yè)的CO2，必須使用化石燃料以外的能源，其中具有代表性的是綠色氫和生物質(zhì)等可再生能源。關(guān)于氫，現(xiàn)在日本政府的綠色創(chuàng)新基金已經(jīng)啟動了氫還原煉鐵項目，本文將著眼于利用生物質(zhì)的可能性。
煉鐵利用生物質(zhì)的主要問題是低能量密度和難收集性，前者通過碳化來提高能量密度。但是，其瓶頸在于炭的收得率非常低，只有20%左右。使用炭的煉鐵工藝研究有許多，例如有作為生產(chǎn)高爐主要原料燒結(jié)礦的熱源的研究，但存在資源量的問題。為了研究更有效的利用方法，本文介紹幾種關(guān)于未碳化生物質(zhì)利用的基礎(chǔ)研究案例。
01
使用蓄熱體的回轉(zhuǎn)窯還原鐵礦石
本研究團(tuán)隊提出了圖1所示的在熱交換器內(nèi)用蓄熱體回收工廠未利用的廢氣顯熱，與木質(zhì)生物質(zhì)一起裝入回轉(zhuǎn)窯的生物質(zhì)快速碳化工藝。在該工藝中，木質(zhì)生物質(zhì)通過蓄熱體的傳熱快速被加熱，進(jìn)行碳化。碳化的部分通過與蓄熱體碰撞被粉碎，新出現(xiàn)的未碳化部分再次被快速加熱，碳化繼續(xù)進(jìn)行。與此同時裝入鐵礦石，有可能通過生物質(zhì)熱分解產(chǎn)生的氣體和碳化的炭材來還原鐵礦石。此外，蓄熱球是用高爐生產(chǎn)的鐵水鑄造而成，如果在高溫狀態(tài)加以利用，那么即使在沒有充分余熱的鋼鐵廠也有可能適用。因此，本研究利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的外熱式窯爐進(jìn)行了還原試驗(yàn)。將澳大利亞產(chǎn)鐵礦石50g和10mm3的木制塊裝入在惰性氣氛下升溫到1000℃的窯爐內(nèi)（加熱長度155mm，10rpm），在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)并冷卻。圖2是還原率及窯爐內(nèi)殘留碳量隨時間的變化。還原開始30min，還原率為45%，隨著時間的推移，還原率增加，殘留碳量降低。通過木制塊碳化時產(chǎn)生的氣體與碳化的炭反應(yīng)，使還原反應(yīng)進(jìn)行，從而減少了殘留碳量。經(jīng)過120min處理，還原率達(dá)到64%。這說明通過直接利用木質(zhì)生物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)金屬鐵的還原。另外，為了獲得更高的還原率，還需進(jìn)一步優(yōu)化條件。但是，考慮到在日本國內(nèi)生產(chǎn)，數(shù)十萬噸規(guī)模的木質(zhì)生物質(zhì)用量已達(dá)到極限，難以達(dá)到替代高爐的規(guī)模。
02
內(nèi)裝炭材礦高速生產(chǎn)鐵水的還原和滲碳行為
考慮到每年數(shù)萬噸到數(shù)十萬噸規(guī)模的木質(zhì)生物質(zhì)的利用量，可以作為小規(guī)模電爐煉鋼的鐵源利用。日本國內(nèi)電爐的鐵源是廢鋼，在嚴(yán)格控制混入元素（Cu和Sn）對鋼鐵材料質(zhì)量的不良影響的同時，生產(chǎn)產(chǎn)品。如果可以將木質(zhì)生物質(zhì)作為還原劑用于生產(chǎn)直接還原鐵，就可以生產(chǎn)高品質(zhì)且CO?排放量非常少的鋼鐵材料。另一方面，在電爐的精煉中還原鐵的熔化是必須的，為此還原鐵中的碳含量最好高，例如熔化的鐵―碳合金鐵水是最有效的。因此，本文研究了利用木質(zhì)生物質(zhì)高速生產(chǎn)鐵水的可能性。
作為生物質(zhì)的利用方法，是將粉末狀的氧化鐵（鐵礦石等）與炭材混合成型的原料加以利用，本研究著眼于反應(yīng)性高的內(nèi)裝炭材礦。將其還原行為與其他炭材進(jìn)行了比較。圖3是等速升溫加熱時，石墨、煤炭和木質(zhì)生物質(zhì)（木塊）內(nèi)裝炭材礦還原率的變化。用固定碳換算，與碳和氧化鐵來源氧的摩爾比為0.8的石墨和煤炭相比，使用碳添加量少的總碳量和氧化鐵來源的氧的摩爾比為1.0的木塊，在更低的溫度下還原情況更好。即，木塊是一種能夠用少量碳在低溫下進(jìn)行還原的炭材。此外，在900℃還原率的增加停滯不前。這是因?yàn)樘砑拥奶既勘挥糜谶€原。圖4示出了碳添加量與加熱到1300℃時的還原率的關(guān)系，同時示出了與還原的鐵中碳含量的關(guān)系。隨著總碳量的增加，到達(dá)1300℃時的還原率增加，如總碳量為2.0，還原率達(dá)到95%。另一方面，使用煤炭時，相同總碳量的到達(dá)還原率比木塊的低。此外，總碳量低時，由于還原沒有完成而將碳全部消耗掉，因此還原后的鐵不會發(fā)生滲碳反應(yīng)，碳含量低。隨著總碳量的增加，未用于還原的殘留碳會加劇滲碳，還原鐵中的碳含量也在增加。但是，當(dāng)總碳量增加到3.0時，未反應(yīng)的碳大量殘留，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化研究。
作為鋼鐵業(yè)減排CO2的手段，本文研究了直接利用木質(zhì)生物質(zhì)。從日本可收集的量考慮，難以替代傳統(tǒng)高爐法。但可以部分置換和作為小規(guī)模電爐煉鋼的替代鐵源是可能的。
